科技创新导报 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ２０１０ ＮＯ．３２Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ技 术 创 新
光子晶体被称为光信息时代的“半导体”,光子晶体研究是目前的一个热点科学研究领域。由于光子晶体特殊的性质,有新物理前景,更有应用前景,国内外目前越来越多的研究人员进入这个研究领域[1-5]。光子晶体对于导波光学来说具有非常重要的作用和深远的意义。1 光子晶体简介光子晶体是1987年由E.Yablonovitch和S.John几乎同时提出的物理概念。其具有奇特的控制光子传播状态的特性,可以用来制作全新概念和以往所不能制作的高性能光学器件,拓宽了光子技术的应用领域,被视为21世纪最具潜力的新型材料之一。经过十多年的研究,光子晶体及光子晶体器件已经取得很大进展,其中基于光子晶体的光纤、激光器、滤波器和集成光路更是成为世界范围内的研究热点。光子晶体也叫光子带隙材料,它是由不同介电常数的材料间隔周期排列而成的。光子晶体根据空间分布的周期性可分为:一维、二维和三维光子晶体,其共同的特征是具有光子禁带。这也是光子晶体最根本特征之一,即频率处于禁带范围内的光子都不能在光子晶体中传播。在光子晶体中,由于晶体内部不同介电常数材料的原子排列是具有周期性的,这种周期性使得运动的光子受到周期势场的作用,而形成光子能带结构。只有那些频率对应在光子能带中的光才能在光子晶体中通过,而那些频率落在光子带隙中的光在光子晶体内的某些方向上是严格禁止传播的。如果势场足够大,使得在任意方向上都有带隙出现(即完全带隙),那么光子在完全带隙中沿任何方向都不能传播。2 光子晶体在导波光学中的作用和意义光子晶体和普通光学材料不同,它具有特殊性能,主要表现为:具有超棱镜效应、超校直效应、超透镜效应、复折射效应,以及它有绝缘性、弯曲性等。利用光子晶体的这些特性,可以做出尺寸很小而功能很强的光子器件,例如用于光通信中的光波导回路,性能远超过元器件,成本也大大降低。利用光子晶体做成的微型光波回路,将广泛用于导波光学中。将来的立体光回路,将由AWG(阵列波导光栅)构成。而AWG要使用光子晶体,才能做到尺寸小、功能强而又成本低。光子晶体概念的提出向人们展示了一种新的控制光子的机制,它完全不同于以往利用全反射来引导光传输。给导波光学的发展和应用带来了新的生机和活力。光子晶体从20世纪80年代末提出至今,取得了很大进展。由于它具有巨大的潜在应用价值和对未来光时代的重要意义,吸引了越来越多的科学家。虽然光子晶体正处于深入研究和应用推广阶段,但可以预言光子晶体将给人类带来不亚于微电子革命所带来的深刻影响。据不完全统计,与光子晶体有关的技术专利目前已达上千余项。国外一些大公司已开发出了多种光子晶体器件产品,其中光子晶体光纤等产品已进入了产业化阶段。光子晶体的研究、开发和应用将为未来世界经济的发展提供一个新的生长点。3 光子晶体在导波光学中的应用迄今为止,光子晶体在导波光学中的多种应用被相继提出,这里只对光子晶体光纤、光子晶体激光二极管、无阈值激光器、光子晶体波导、光子晶体超棱镜、光子晶体密集波分复用器,集成光路等等进行介绍。3.1光子晶体光纤光子晶体光纤(PCF)在光子晶体应用领域中是最先研究和发展最的。PCF的概念最早由P.S.J.Russell等人于1992年提出,它是在石英光纤中沿轴向均匀排列着空气孔,从光纤端面看,存在周期性的二维结构,如果其中1个孔遭到破坏和缺失,则会出现缺陷,光能够在缺陷内传播。与普通单模光纤不同,PCF是由其中周期性排列空气孔的单一石英材料构成,所以又被称为多孔光纤或微结构光纤。由于PCF的空气孔的排列和大小有很大的控制余地,可以根据需要设计PCF的光传输特性,所以它激起了人们浓厚的兴趣。PCF具有特殊的色散和非线性特性,在光通信领域具有广泛的应用前景。3.2光子晶体激光二极管和无阈值激光器在一块三维光子晶体中引入缺陷,然后放置工作物质,缺陷态将构成一个波导,激光器发出的光将沿此方向传播。由于自发辐射光只能与激光同方向,所有的自发辐射都被用来激活介质实现反转而无其他损耗,因此光子晶体激光器的阈值几乎为零。光子晶体二极管也是基于相同的原理。3.3光子晶体波导传统的介电波导可以支持直线传播的光,但在拐角处会损失能量。理论计算表明,光子晶体波导可以改变这种情况。光子晶体波导不仅对直线路径而且对转角都有很高的效率,最近的实验证实了理论预言。在光子晶体中引入缺陷,可能在光子带隙中出现缺陷态,这种缺陷态具有很大的态密度和品质因子。由这种光子晶体制成的微腔比传统微腔要优异的多。最近MIT研究人员制成了位于红外波段的微腔,具有很高的品质因子。3.4光子晶体密集波分复用器应用光子晶体波导—谐振腔—波导之间的相互作用,可构造高品质的极窄选频滤波器。基于这个原理可以设计结构紧凑的光子晶体密集波分复用器。近年来,人们发现了光子晶体的超棱镜现象,相差1μm的两个光波的分离角高达50度,由此提出了另一种光子晶体密集波分复用器模型。3.5集成光路所谓集成光路就是采用类似于半导体集成电路的制造方法,把光学元件以薄膜形式集成在同一衬底上。综合利用光子晶体的各种性能,光子晶体可以制成大频率范围的光子晶体偏振器、强分光能力的光子晶体超棱镜、高品质反射镜、高功率发光二极管、光开关、光放大器、光波导、光存储器和光子频率变换器等。光子晶体器件在尺寸上要远远小于传统光电器件,因而将光子晶体用来制作集成光路是人们最给予厚望的,各国科学家都在做此方面的尝试。4 结语本文论述了光子晶体对于导波光学的重要的作用和深远的意义,以及光子晶体在光纤、激光二极管和无阈值激光器、波导、密集波分复用器、集成光路等方面的应用前景。目前,同内光子晶体研究与国际水平有一定差距,特别是在光子晶体的制作技术和器件应用方面。进一步加强光子晶体的实验研究,努力促进针对实际应用需求的器件开发,对于超越国际水平,增强在导波光学研究领域的竞争力具有十分重大的意义。 参考文献[1]程开富.光子晶体在光通信领域中的应用[J].光子技术,2005.[2]黄章勇.光通讯用光子晶体器件[J].光子技术,2003.[3]张宁,等.光子晶体及其应用研究[J].北京联合大学学报(自然科学版),2005.光子晶体在导波光学中的应用潘超(黄石理工学院电气与电子信息工程学院 湖北黄石 435003)摘 要:光子晶体被称为光信息时代的“半导体”。由于光子晶体特殊的性质,有新物理前景,更有应用前景,国内外目前越来越多的研究人员进入这个研究领域。本文论述了光子晶体对于导波光学的重要的作用和深远的意义,以及应用前景。关键词:导波光学 光子晶体 光子禁带 带隙中图分类号:TN818文献标识码:A文章编号:1674-098X(2010)11(b)-0024-01
